JPS6351243B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ ひずみが測定されるべき箇所に配置可能な光
フアイバを含み、前記光フアイバはクラツド内に
て互いに隔置されている複数本のコアを有し、前
記クラツドと前記複数本のコアの各々は最低次モ
ードのみで光を伝搬させるように寸法及び材料を
選定され、それにより前記コア間にクロストーク
の発生を許すように構成されているひずみ応答手
段と、 前記コアのうちの一つの中に導入されるべき光
を発するための光源手段と、 前記複数本のコアの各々から出る光エネルギを
受け、その強度に関する電気信号を生ずる検出器
手段と、 を含み、前記光フアイバの前記クラツド中に於け
る前記複数本のコアの各々の寸法とこれらコア間
の間隔とこれらコア及びクラツドの材質は当該フ
アイバにより与えられる光導波路のビート位相が
該フアイバの温度変化に対し不変となるよう選択
されており、前記光フアイバに作用するひずみが
前記複数本のコアと前記クラツドの寸法及び屈折
率に変化を生ぜしめることにより前記複数本のコ
アの各々に於ける光伝播モードの間に生ずるモー
ド干渉が前記各コアを出る光の強度を変化せし
め、この光強度変化を測定すべきひずみに関係付
けることによりひずみ測定を行うようになつてい
ることを特徴とするフアイバ・オプテイクスによ
るひずみセンサ。

２ 特許請求の範囲第１項のひずみセンサにし
て、前記光フアイバにより与えられる光導波路の
ビート位相が該光フアイバに生じたひずみに応じ
て変化するが該光フアイバの温度変化によつては
変化しないようにするよう前記コアの屈折率の温
度による変化率が前記クラツドの屈折率の温度に
よる変化率より異なるようにされていることを特
徴とするひずみセンサ。

３ 特許請求の範囲第１項のひずみセンサにし
て、前記光フアイバは前記コアを埋め込まれた第
一のクラツドと、前記第一のクラツドを取囲む第
二のクラツドとを有し、前記第二のクラツドの線
膨張の温度による変化率は前記第一のクラツドの
それと異なつており、前記第一及び第二のクラツ
ドの断面寸法は前記コア間のクロストークのビー
ト位相が前記光フアイバのひずみに応じて変化す
るが該光フアイバの温度の変化によつては不変で
あるように定められていることを特徴とするひず
みセンサ。

４ 特許請求の範囲第１項のひずみセンサにし
て、前記光フアイバは前記コアが埋め込まれた第
一のクラツドと、前記第一のクラツドを取囲む第
二のクラツドと、前記第二のクラツドを取囲む第
三のクラツドとを有し、前記第三のクラツドの線
膨張の温度による変化率は前記第二のクラツドの
線膨張の温度による変化率より小さく、前記第二
のクラツドの線膨張の温度による変化率は前記第
一のクラツドの線膨張の温度による変化率と異な
つており、前記第二のクラツド及び前記第三のク
ラツドの断面寸法は前記ビート位相が前記光フア
イバのひずみによつて変化するが前記光フアイバ
の温度変化によつては変化しないよう定められて
いることを特徴とするひずみセンサ。

技術分野 この装置は一般に光導波路センサに係り、一層
詳細には、隣接コアの間で光の結合又はクロスト
ークがひずみ又は流体静圧のみの関数として生ず
るように共通クラツド内に特別な形状及び配置で
少なくとも二つのコアを有しひずみ又は静圧セン
サとして作用する光導波路に係る。

背景技術 光導波路は多年に亙り知られており、低損失ガ
ラスの進歩と共に、光導波路を組込んだ装置が通
信及びモニタのような多種の分野でますます多く
用いられてようになつてきた。光導波路は典型的
に特定の屈折率を有するガラスなどから製作され
た誘電性のコアとそれよりも低い屈折率を有する
第二の材料、通常はガラスなど、から成り、コア
を包囲するクラツドとから成つている。コア材料
の屈折率がクラツド材料の屈折率を越えている限
り、上記のような複合構造の光導波路により光の
ビームが案内される。コア内の光ビームは一般に
コアとクラツドとの間の境界に於ける反射により
コア軸線に沿い案内される。

光導波路としては多モード・ステツプインデツ
クス形、単一モード形及び多モード・グレーデツ
ドインデツクス形を含む多種の設計が提案されて
きた。単一モードが望ましい用途には単一モード
光導波路が用いられる。かかる光導波路では、コ
アの直径は典型的に10μｍ以下であり、またコア
とクラツドの比屈折率差は10^-3のオーダーであ
る。その結果、最低次モードのみがかかる光導波
路を伝わる。

種々のアレーに配列され且共通のクラツド内に
配置された多重コアを含む光ケーブルも製作され
ている。その一例は光導波路に関するD.
Margolisの1979年４月10日付米国特許第4148560
号に開示されている。この開示には包被材料内に
うめこまれた複数のフアイバを含むアセンブリを
対象としている。この特許は二本の補強ワイヤの
間に配置され且プラスチツク材料の保護シース内
にうめこまれた光バンドルを示している。

共通クラツド内のコア間の“クロストーク”と
して知られている現象は一つのコアに沿つて伝搬
する光エネルギが隣接コアに結合されるときに生
ずる。この現象は周知のように、光エネルギがコ
アとクラツドとの間の境界面により完全には閉じ
込められず、実際には少量はクラツドに透過する
ために生ずる。

少なくとも二つのコアを有する光導波路に於け
るクロストーク現象は温度の関数として或る程度
変化することが認識されている。例えば、1972年
に出版されたN.S.Kapany及びJ.J.Burkeの光導
波路と題する文献には、共通クラツド内に狭い間
隔で配置されたガラスフアイバ・コアに於て光ビ
ート現象が生ずることが示されている。この文献
の第255頁に始まつて、上記の光導波路の光ビー
ト現象が周囲温度の変化に応答して変動するとい
う実験結果が記載されている。

光導波路を用いる温度センサは、光導波路を用
いるモニタリング装置という名称のM.Gottlieb
他の1979年５月１日付米国特許第4151747号に記
載されている。温度センサは光導波路から成り、
その一端に光源が、また他端に検出器が配置され
ている。温度変化は検出器で受けられた光の変動
により感知される。他の実施例では、共通クラツ
ド内に互に隣接して配置された二つの光フアイバ
が用いられている。入力光は一方のフアイバの長
さに沿つて導かれ、フアイバの温度と共に変化す
る量だけそのフアイバの境界面を透過する。この
第一のフアイバから漏れ出た光の少なくとも一部
分を捕捉するため第二のフアイバが第一のフアイ
バに充分近接して配置されている。第二のフアイ
バで受けられた光をモニタすることにより、温度
変化の大きさに関する測定が行われ得る。

本願出願人と同一の譲受人に譲渡されたフアイ
バオプテイツク・ホツトスポツト検出器という名
称の1979年８月30日付米国特許出願第071511号に
は、ホツトスポツトを検出するためケーブルなど
に埋め込まれ得る光フアイバが記載されている。
共通クラツド内に複数のコアが、温度が所定のレ
ベルを越える点で初めてクロストークを生ずるよ
うな形状及び相互間隔で設けられている。フアイ
バに沿い伝搬する光の波長は、ケーブルに沿うホ
ツトスポツトの正確な点の評定を可能とするよう
に変更され得る。

発明の開示 本発明の目的は、温度変化とは無関係に流体静
圧又はひずみの変化を測定するのに特によく適し
た光導波路を提供することである。

本発明によれば、二つ又はそれ以上のコアを有
する光導波路がひずみ又は流体静圧の変化に対す
る応答を最適化するような形態で製作される。

本発明の特徴によれば、光導波路は隣接コア間
のクロストークが主としてひずみ又は流体静圧の
関数であり温度の変化には比較的応答しないよう
に材料及び形状・寸法を選定された複数本のコア
を有する。光エネルギが光フアイバ内の一つのコ
アに沿い伝搬するにつれて、ひずみ又は流体静圧
の変化によりコア間で交差結合される相対エネル
ギに変化が生ずる。

本発明の大きな利点は、多重コアを有する光導
波路が温度の変化とは関係なく流体静圧又はひず
みの関数として隣接コア間のクロストークを生ず
るように製作され得ることである。一つのコアに
沿い伝搬する光エネルギの隣接コアへの結合又は
クロストークは流体静圧又はひずみの関数として
変化し、それによりひずみセンサとして最適な光
導波路が得られる。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は以
下の好ましい実施例及び図面の説明から一層明ら
かとなろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光フアイバを用い流体静
圧の変化の検出に最適化された圧力測定システム
の拡大概要図である。

第２図は第１図に示された本発明による光フア
イバの端面図である。

第３Ａ〜３Ｄ図は第１図に示された本発明によ
る光フアイバに存在し得るモードの説明図であ
る。

第４図は第二のクラツドを含む本発明による光
フアイバの第二の実施例の端面図である。

第５図は第二のクラツド及び第三のクラツドを
含む本発明による光フアイバの第三の実施例の端
面図である。

第６図は広範囲の流体静圧変化に瞹味さなしに
応答し得るように多重コアを有する本発明による
第四の実施例の拡大概要図である。

第７図は五つのコアを有するフアイバに沿い伝
搬する光エネルギのビート位相の関数として相対
的光強度を示すグラフである。

第８図は可撓性の基板に取付けられその撓みを
測定するための本発明による光フアイバを含むひ
ずみセンサの拡大概要図である。

第９図は第７図に示された光フアイバの横断面
図である。

発明を実施するための最良の形態 先ず第１図を参照すると、本発明による光導波
路１０は温度の変化に関係なくその長さに沿うひ
ずみ又は流体静圧の変化に応答するべく最適化さ
れている。光フアイバは理想的にはその直径を横
切るアレーに配置されており光ケーブル１０の全
長に沿い延びる少なくとも二つのコア１２及び１
４を含んでいる。クラツド１６はケーブルの全長
に亙りコア１２及び１４の各々を完全に包囲して
いる。コア１２及び１４もクラツド１６も典型的
にガラス材料などから製作されており、コア及び
クラツドの正確な材料、コアの寸法、コア間の正
確な間隔、コアの数などは臨界的であり、後で一
層明らかにするように本発明の重要な部分をなし
ている。

本発明の光導波路はひずみ又は流体静圧に応答
するように最適化されており、従つて離れた点に
於けるひずみ又は流体静圧を測定するシステムに
使用するのに特によく適している。かかるシステ
ムは二つのコアの一方例えばコア１２に光エネル
ギのビームを結合するべく配置された光源１８を
含んでいる。光フアイバ１０は光源１８の位置か
ら第二の位置、例えば流体静圧のような物理的パ
ラメータが測定されるべき容器２０の内部、に通
じている。第二の位置から光フアイバは、両コア
１２及び１４から出た光エネルギの強さを検出す
る検出器２２及び２４の位置に通じている。

第１図に加えて第２図を参照すると、周知の原
理でクラツド１６の屈折率はコア１２及び１４の
各々の屈折率よりも低く選定されており、各コア
に入つた光エネルギは実質的に光フアイバ１０の
中を伝わる。コア１２及び１４内に生ずる種々の
モードの数はコア材料とクラツド材料の双方の屈
折率と各コアの寸法と光導波路を通つて伝搬する
光の波長の関数である。円形横断面のコアに対し
て存在し得るモードの数は次式により表わされる
Ｖパラメータ（規格化周波数）により定まる。

Ｖ＝2π（ａ／λ）√₁ ²−₂ ² (1) ここにａはコアの半径、λは光の波長、n₁はコ
アの屈折率、n₂はクラツドの屈折率である。本発
明による好ましい楕円形横断面の場合、式(1)のａ
として楕円形コア寸法の長半径及び短半径の幾何
平均を用いてＶパラメータを計算すれば充分であ
る。もしＶが2.405（第一種ベツセル関数J_o（χ）＝
０の根番号１の根）よりも小さいと、HE₁₁モー
ドとして知られている最低次モードのみが存在し
得る。2.405よりも遥かに大きいＶの値に対して
は、このモードは各コア１２の平均直径２ａが遥
かに大きく、又はコアとクラツドの屈折率差が大
きくて、多くのモードが光導波路に存在し得ると
きに生ずる。

先に簡単に述べたように、本発明の利用は多重
コア光導波路にける個々のコアの間のクロストー
クがひずみ又は流体静圧に依存し温度には依存せ
ず、フアイバの長さに沿うひずみ又は流体静圧の
測定が可能なことである。かかる光導波路ではコ
ア及びクラツドの製作材料は慎重に選定され、コ
ア及びクラツドに対してそれぞれn₁及びn₂の屈折
率を有する。各コアの相互間隔は比較的小さく、
他方クラツドの外形は大きいので、クラツドの外
壁により形成される境界面に於ける相互作用はコ
ア内の光の分布に影響しない。また光が各コア内
で上記の式(1)に従つて最低次モード即ちHE₁₁モ
ードのみで伝搬することが必要である。

続いて第１図及び第２図を参照すると、前記の
ように、光源１８から発せられる光エネルギのビ
ームはアレーの二つのコアの一方、例えばコア１
２、のみに入射する。光は楕円形コアの最短軸と
同一の方向に偏光していることが好ましい。光が
フアイバの中を伝搬するにつれて、コア１４への
クロストークが流体静圧又はひずみの関数として
生ずる。従つて、フアイバの端面から出る光I₁，
I₂の分布はフアイバに作用するひずみ又は流体静
圧の関数である。検出器２２はコア１２に入射し
た光と同一の偏光のみに応動するように偏光アナ
ライザを含んでいる。幾つかの場合に、長軸を互
に平行に且コアの中心を結ぶ線に対して垂直に向
けられた楕円形コアは同一のコア面積及び中心間
間隔に於て円形横断面のコアに比べて強い結合を
コア間に生ずることが見出されている。

本発明の重要な特徴は、コア１２と１４との間
の光エネルギの分布が光フアイバ１０に作用する
ひずみ又は流体静圧の変化の関数として変化する
ことにある。この現象を理解するのには、次の説
明が有用であろう。導波され得る四つの規準モー
ドはコアの中心間を結ぶ線に対して平行又は垂直
に向けられた横方向電界により平面偏光してい
る。第３図をも参照すると、導波され得る四つの
モードは二つの直行して偏光した対、対称対、第
３Ａ図及び第３Ｂ図、及び逆対称対、第３Ｃ図及
び第３Ｄ図を含んでいる。コイル１２のみがコア
の中心を結ぶ線に対して平行に偏光した光源から
の光エネルギにより励起されるので、対称複合モ
ード、第３Ｂ図、及び逆対称複合モード、第３Ｄ
図、は等しい強度で発せられる。光エネルギがコ
ア内を伝搬するにつれて、クロストークが生じ、
モードの位相関係は光エネルギが隣接コア間で伝
達されるような関係となる。光が光導波路に沿い
伝搬するにつれて、モード干渉に起因してビート
現象が生じ、それにより隣接コア間のエネルギの
流れとして解析され得る空間的干渉が生ずる。前
記のように、双コア・フアイバの規準モードは最
低次HE₁₁単一コア励起の線形結合である。規準
モードはその横断面内の強度パターンの変化なし
にフアイバ軸線に沿い伝搬する電界分布である。
規準モードのｚ（フアイバ軸線方向の距離）及び
時間依存性は調和関数Re［exp｛ｉ（ωt−Biz）｝］
により表わされる。ここにRe［……］は括弧内の
量の実数部を意味し、また伝搬定数βiは種々の可
能なHE₁₁組合せ（第３Ａ〜３Ｄ図）を示す添字
を有する。双コア・フアイバの可能な規準モード
を構成する四つの異なる電界分布がある。それら
は二つの直行偏光した対称及び逆対称の対（第３
図参照）から成る。Ψi（ｉ＝１、２、３、４）に
より四つの規準モードの振幅を表わすことにす
る。単一コアの照明は一対のモードの励起と等価
であり、即ち、対称及び逆対称の組合せは同一の
偏光を有する。いまβ₂及びβ₄を対称モード（第３
Ｂ図）及び逆対称モード（第３Ｄ図）に対する伝
搬定数とすれば、二つのコアの間のエネルギの分
割はこれらの伝搬定数の差２・Δβ＝β₂−β₄とフ
アイバに沿う距離との関数である。距離z₁＝π／
（２・Δβ）に於て、二つの複合モード（第３Ｂ図
及び第３Ｄ図）は正確に180゜の位相差を有し、光
の全ては右側コア内にある。z₁よりも小さい距離
に対しては光の幾らかは両コア内にあり、また同
様にz₁よりも大きい距離に対してはモード間の位
相差は増大し続ける。z₂−2z₁の距離に於て、複
合モードは入射端面に於てそうであつたように正
確に同相であり、光は左側コアに戻る。光が双コ
ア・フアイバに沿い伝搬するにつれて、モード干
渉に起因してビート現象が生じ、それによりコア
間のエネルギー交換として考えられ得る空間的干
渉が生ずる。ビート波長λbはπ／Δβである。中
心間の間隔がｄで半径ａの２つの円形コアに対し
て、ビート波長は次式により表わされる。

λ_b＝πan₁／NA １／Ｆ（Ｖ、ｄ／ａ） (2) ここに Ｆ＝（U²／V³）K₀（Wd／ａ）／K₁ ²（Ｗ） (3) Ｗ＝（V²−U²）^1/2 (4) Ｕ＝（１＋√２）Ｖ／［１＋（４＋V⁴）^1/4］(5) であり、またK₀及びK₁はそれぞれ字数０及び１
の変形ハンケル関数である。

流体静圧又はひずみの変化に起因して一般に
λbの変化及びフアイバ長さＬの膨張又は収縮が
生ずる。その結果、初期長さＬのフアイバの端面
に於けるビート位相φ＝Δβ・Ｌに相応の変化が
生ずる。完全なクロストーク、即ち第一のコアか
ら第二のコアへの全パワの以降のためには、二つ
のコア内の伝搬に対する位相速度を等しくするよ
うに二つのコアに同一の寸法及び屈折率を持たせ
る必要がある。しかし、二つのコアとして異なる
屈折率を有し且それに応じて異なる寸法を有する
ガラスを用い、位相速度を互に等しくすることも
可能である。共通クラツド内の二つの円形コアに
対して、温度によるビート位相の変化率は次式に
より表わされる。

dφ／dT＝（n₁ ²−n₂ ²）／n₁ Ｌ／ａＶdF／dV（α＋ζ
）(6) ここに、αは線膨張の温度係数、ζは屈折率の
温度係数（n^-1、dn／dT）であり、これらはコア
及びクラツドの双方に対するものである。即ち、
本発明のこの例では、これらの材料特性がコア及
びクラツドに対して同一であると仮定されてい
る。温度の変化に対して、フアイバの寸法の変化
並びにコア及びクラツドの屈折率の変化が生ず
る。一般に、熱膨張の温度係数も屈折率の温度係
数もコア材料とクラツド材料とでは異なつてい
る。しかし、ここでは説明を簡単にするため、こ
れらの温度係数がコア材料とクラツド材料とで類
似しているものと仮定する。

いま材料パラメータα及びζがコア材料及びク
ラツド材料に対して同一であると仮定すると、ビ
ート位相φが温度と無関係であるための条件は次
式により表わされる。

dF／dV＝０ (7) この条件は、ビート位相を一様な流体静圧に無
関係とする条件と同一である。従つて、クロスト
ークの変化に基いて圧力測定を温度と無関係に行
うことは、コア材料及びクラツド材料がα及びζ
に対して同一の値を有するフアイバでは不可能で
ある。もしα及びζがコア及びクラツドに対して
異つていれば、ビート位相φを温度と無関係に
し、しかも一様な流体静圧と関係させることが可
能である。代替的にα及びζをコア及びクラツド
に対して同一とし、後記のように第二のクラツド
をフアイバの外周に融着させることもできる。第
二のクラツドの材料及び厚みを適当に選択し且コ
ア及び第一のクラツドの材料及びジオメトリを適
当に選択することにより、コア間のクロストーク
のためのビート位相は温度に関係せずしかも一様
な流体静圧に対する依存性を示すようにされ得
る。フアイバ軸線に沿う延びの場合に対して、た
だ一つのクラツドを有しα及びζがコア及びクラ
ツドに対して同一であるコアは、ビート位相が長
手方向ひずみの大きさには依存するが温度及び一
様な流体静圧には依存しないようにされ得る。同
様に、フアイバ軸線に対して横方向に加えられる
一方向のひずみは、コア及び単一クラツドから成
りα及びζの値がコア材料及びクラツド材料に対
して同一であり且Ｖパラメータ及びｄ／ａ比の値
がビート位相を温度及び一様な流体静圧と無関係
とするように選定されているフアイバから出射す
る光に対してビート位相に変化を与え得る。

続いて、第１図及び第２図の単一クラツドの実
施例を参照すると、平均半径ａで中心間間隔ｄの
二つの同一のコアが単一で一様なクラツドの中に
設けられている。コアの材料パラメータはn₁、α
及びζ₁、またクラツドの材料パラメータはn₂、α₂
＝α及びζ₂である。即ち、コアとクラツドで屈折
率の温度係数は相違しているが、線膨張の温度係
数は相等しい。この場合、ビート位相を温度に無
関係にするための条件は次式で表わされる。

（Ｖ／Ｆ dF／dV｜_p＝−n₂ ²（ζ₁−ζ₂）／（n₁ ²−n₂ ²
）α＋n₁ ²ζ₁−n₂ ²ζ₂ (8) ここで、添字ｏを付した垂直線は、温度に関係
しないことを示している。円筒対称の弾性変形に
応答して、フアイバの端面から出射する光に対す
るビート位相の微小変化率Δφ／φは次式で表わ
される。

Δφ／φ＝ε_z−ε_r＋n₂ ²／n₁ ²−n₂ ²（Δn₁／n₁−Δn₂
／n₂）＋Ｖ／Ｆ dF／dV［ε_r＋Δn₁／n₁＋n₂ ²／n₁ ²−n₂
²（Δn₁／n₁−Δn₂／n₂）］(9) ここにεz及びεrは一様な流体静圧Ｐに対する長
手方向及び半径方向のひずみである。コア材料及
びクラツド材料のヤング率がE₁＝E₂＝Ｅ、また
ポアソン比がν₁＝ν₂＝νの場合、εz及びεrは次式
で表わされる。

εz＝εr＝−（１−2ν）Ｐ／Ｅ (10) 弾性変形に応答して、屈折率は変化する。一般
に、所与の偏光状態に対する屈折率は三つの主ひ
ずみの線形関数である。いま、ひずみ・光学係数
を偏光に対して平行なひずみに対してはP₁₁、ま
た偏光に対して垂直なひずみに対してはP₁₂とす
る。更に、コア材料とクラツド材料で屈折率の温
度依存性は相違する（即ちζ₁≠ζ₂）とされている
けれども、いまの説明では簡単のためコア材料と
クラツド材料とでひずみ・光学効果は相等しいも
のと仮定する。一様な流体静圧に応答しての屈折
率の変化は次式により表わされる。

Δn₂／n₂＝→Δn₁／n₁＝n₁ ²／２（P₁₁＋2P₁₂） （１−２）Ｐ／Ｅ (11) 式(10)及び(11)を式(9)に代入すると、ビート位相の
変化率は次式により表わされる。

Δφ／φ＝−Ｖ／Ｆ dF／dV［１−n₁ ²／２
（P₁₁＋2P₁₂）］（１−2ν）Ｐ／Ｅ(12) もしビート位相が温度に無関係にされているな
らば、材料帯びジオメトリは（Ｖ／Ｆ）（dF／
dV）が式(8)の右辺により与えられるように選定
されており、ビート位相を温度に無関係にし、し
かも一様な流体静圧に関係させるための条件は最
終的に次式で表わされる。

Δφ／φ｜_p＝n₂ ²（ζ₁−ζ₂）／（n₁ ²−n₂ ²）α＋n₁ ²
ζ₁−n₂ ²ζ₂［１−n₁ ²／２（P₁₁＋P₁₂）］（１−2ν）
Ｐ／Ｅ（13） α及びζの値がコア材料とクラツド材料とで同
一であるか否かに関係なく、ビート位相は一様な
流体静圧には関係するが温度には関係しないよう
に別の方法でされ得る。第４図を参照すると、厚
さｔの第二のクラツドが図示のように第一のクラ
ツドの外周に融着されている。第一クラツドの半
径はｇ、第二クラツドの半径はｈである。コア及
び第一クラツドは異なる熱膨張係数を有し得るけ
れども、いまの説明ではα₁＝α₂であり、第二クラ
ツドの熱膨張係数α₃がα₂と異なつていれば充分で
ある。ヤング率Ｅ及びポアソン比νは何れも三つ
の領域の全てに対して同一であると仮定されてい
る。この場合、ビート位相が温度に関係しないた
めの条件は次式で表わされる。

（Ｖ／Ｆ dF／dV）｜_p＝−〔（１−ν）（α₃−α₂）（
１−g²／g²）＋２（１−ν）n₂ ²（n₁ ²−n₂ ²）^-1（ζ₁−
ζ₂）〕 ×［（１−3ν）（α₃−α₂）（１−g²／h²）＋２（
１−ν）〔α₂＋ζ₁＋n₂ ²（n₁ ²−n₂ ²）^-1（ζ₁−ζ₂）
〕］^-1（14） この式は二重クラツド構成で生ずるひずみに対
して境界条件を適用することにより導かれ得る。

一様な流体静圧によるビート位相の変化率は、 Δn₂／n₂＝Δn₁／n₁＝−n₁ ²／２（P₁₁＋2P₁₂）ε_r（15
） また ε_r＝ε_z＝−（１−2ν）Ｐ／Ｅ （16） とし、且式（14）により与えられる（VF^-1・
dF／dV）を用いて、式(9)により表わされる。第
二クラツド９６は熱膨張係数が第一クラツド９４
のそれと異なる任意の材料から成つてよい。好ま
しい材料はその安定性の点でガラスであるが、金
属又はプラスチツク材料の使用も同様に可能であ
り、その鍵となる必要条件は第二クラツド９６の
熱膨張係数が第一クラツド９４のそれと異なつて
いることである。もしガラスが第二クラツド９６
として用いられているならば、更に第三クラツド
を追加することが望ましい。通信用及びセンサ用
の低損失フアイバに一般に用いられているガラス
は多くの場合に非常に高い百分率で溶融シリコン
を含んでいる。この材料は低い熱膨張係数を有す
るので、必然的に、熱膨張係数の異なる第二クラ
ツドを得るためには、もつと高い熱膨張係数を有
する材料を用いる必要がある。このことは、完成
したフアイバに於て外面に張力をかけ、それによ
りフアイバ破損の潜在的問題を生ずるので、望ま
しくない。この外面に張力がかかるという問題を
避けるため、第二クラツドの熱膨張係数α₃よりも
小さい熱膨張係数α₄を有する第三のクラツドが追
加される得る。追加される第二及び第三クラツド
の厚みは第一クラツドの半径に対して、温度依存
性を零とししかも一様な流体静圧又は一方向の長
手方向又は横方向ひずみに対して必要な依存性に
得られるように調節されていなければならない。
第５図には、二つのコア１００及び１０２が第一
クラツド１０４、第二クラツド１０６及び第三ク
ラツド１０８により包囲されている本発明の実施
例が示されている。

フアイバ軸線に沿う延びに対して、一つのクラ
ツドを有しα及びζ値がコア材料とクラツド材料
で同一であるフアイバ構造は温度に無関係なひず
み測定を可能とする。この場合、Δn₁／n₁＝→
Δn₂／n₂、dF／dV＝→ο、εz＝Ｔ／Ｅ且ε_r＝−νT／
Ｅ として式(9)が適用される。ここにＴは軸線方向の
引張力である。その結果、次式が得られる。

（Δφ／φ）｜_p＝（１＋ν）Ｔ／Ｅ （17） 次に第６図を参照すると、フアイバの長さに沿
う個所に於けるひずみ又は流体静圧を測定するた
めのシステムを用いるのによく適した本発明によ
る光フアイバの他の実施例が示されている。この
実施例は多重コアを含んでおり、広範囲の瞹味さ
のない測定結果が必要とされるひずみ又は流体静
圧の測定によく適している。光フアイバ５０は先
に双コアの場合について説明したと同様に好まし
くは楕円形の複数本のコア５２を有する。第一ク
ラツド５４は光フアイバ５０の全長に亙りコア５
２の各々を全体的に包囲している。第二クラツド
５６は光フアイバの全長に亙り第一クラツド５４
を包囲している。

光フアイバ５０は例えば容器５８内の流体静圧
が測定されるべき個所を通つて延びている。光フ
アイバの入力端で、光源６０が光エネルギのビー
ムをコア５２のうち一つ（入射コア）の端面に向
けて発するので、光エネルギのビームは入射コア
の中に結合され、その軸線に沿い案内される。光
フアイバの出力端で、光エネルギはコアの各々か
ら出射して、検出器６２，６４及び６６のような
一連の検出器に与えられ、それにより先に説明し
たと同様に光フアイバの出射端面から出る光エネ
ルギの分布に応じて変化する一連の電気信号が得
られる。入力光エネルギは好ましくは楕円の短軸
と同一方向に偏光しており、また検出器６２，６
４及び６６は偏光フイルタ又はそれと等価なもの
を含んでいるので、フアイバから出る光エネルギ
の分布を表わす電気信号は同一軸線に沿う光エネ
ルギに関連づけられている。

先に説明したと同様に、本発明の重要な特長
は、コア５２並びにクラツド５４及び５６の材
料、コア５２の寸法、隣接コア間の間隔などの選
定により、ひずみ又は流体静圧には応答するが同
時に温度には応答しないように光フアイバ５０が
製作され得ることである。その結果、一つのコア
を伝わる光エネルギがフアイバの長さに沿う所定
の個所に於ける流体静圧の関数として隣接コアへ
のクロストーク又は交差結合を生ずる。この多重
コアを有する実施例では特に、二つのコアを用い
る実施例に比べて流体静圧測定に於ける瞹味さの
ない範囲を大きくすることができる。

双コアの場合について先に説明した関係は、隣
接コア間の相互作用を考察することにより多重コ
ア・アレーに拡張され得る。使用するコア５２の
本数の増大に伴い、ひずみ又は流体静圧の変化に
対する光フアイバ５０の感度を減少させることな
く有用な測定の範囲が増大することは理解されよ
う。等間隔コア５２の直線アレーに於て、一つの
コアが強度Ioの光で照明されるとすると、長さＬ
のフアイバに対して第Ｒ番目のコアの照明により
第Ｍ番目のコアから出る光の強度Ｉ（Ｍ、Ｒ）は
次式で表わされる。

Ｉ（Ｍ、Ｒ）I₀（２／Ｎ＋１）² _N 〓 〓^r,q=1 sin［rπR／（Ｎ＋１）］×sin［qπR／（Ｎ＋１
）］ ×sin［rπM／（Ｎ＋１）］×cos［πL／λ_b（μ_q
−μ_r）］（18） ここにμ_q＝2cos［qπ／（Ｎ＋１）］ Ｍ、Ｒ＝１、２、……、N. 五つの同一のコアが用いられ、そのうちの一つ
が照明されている場合、Ｌの関数としての光強度
の分布は第７図に示されているようになる。ひず
み又は流体静圧の関数として光フアイバ５２から
出る光エネルギの分布の関係は第７図から観察さ
れ得る。横軸Ｌ／λ_bはビート位相φの１／2π倍と同 一である。流体静圧又はひずみの関数としてコア
の端面から出る光エネルギの分布は、ビート位相
φが流体静圧又はひずみの線形関数であることか
ら求められ得るので、横軸は流体静圧と等価であ
る。例えば、流体静圧P₁に於てコア５２からの
光分布は第７図に線P₁により示されている。流
体静圧P₂に於て光分布は線P₂により示されてお
り、またP₁とP₂との間の流体静圧は線P₁とP₂と
の間に示されているような光エネルギの分布を有
する。

これまでに記載した光フアイバの実施例の一つ
を用いるひずみ又は流体静圧測定システムの種々
の実施例が可能である。例えば、第８図を参照す
ると、曲げひずみに応答するのに特によく適した
実施例が示されている。光フアイバ７０は支持要
素７２の一方の面に適当な接着剤により固定され
ている。支持要素７２は一端（図面で下端）で剛
固に保持され、また他端は加えられた力Ｈに応答
して所定の範囲（鎖線で図示）内で自由に湾曲し
得る支持要素７２の寸法L₂は力Ｈに対する感度
を大きくするため、寸法L₁に比べて長く選定さ
れている。光エネルギの源７４はフアイバの入射
端面に配置されており、光はコアのうちの一つの
中に結合される。検出器７６はフアイバ７０の出
射端面に配置されており、コアの各々から出る光
の分布を測定しその分布に比例する電気信号を出
力信号として生ずる。支持要素７２の湾曲の変化
により光フアイバ７０のひずみに相応の変化が生
ずる。このひずみの変化により、前記のように、
隣接コア間のクロストークが変化し、それに応じ
て光フアイバ７０から出る光の強度が変化する。

本発明はその好ましい実施例について図示し説
明してきたが、本発明の範囲から逸脱することな
く、その形態及び細部に種々の変更が成され得る
ことは当業者により理解されよう。